CN103840254B - 超宽带双频带蜂窝基站天线 - Google Patents

Abstract

超宽带双频带蜂窝基站天线。超宽带双频带蜂窝双极化基站天线以及用于该种天线的低频带辐射器被公开。该低频带辐射器包括：按交叉布置方式被配置的偶极子和扩展偶极子、把扩展偶极子连接到天线馈送器的电容性耦联馈送器、以及一对辅助辐射元件。该偶极子包括两个偶极子臂，每一个偶极子臂大约为λ/4，用于连接到天线馈送器。该扩展偶极子有大约为λ/2的反谐振偶极子臂。该辅助辐射元件被平行地配置在扩展偶极子的相对两端。该辐射器适用于698‑960MHz的频率范围，并提供大约65度的水平射束宽度。该双频带基站天线包括按至少一个阵列被配置的高频带辐射器，以及按规则间隔被散置在所述高频带辐射器之中的低频带辐射器。

Description

超宽带双频带蜂窝基站天线

交叉参考相关申请

本申请是美国申请序号No.61/730,853的继续，并要求该美国申请序号No.61/730,853的优先权，其公开内容通过引用被合并入本申请。

技术领域

本发明一般涉及用于蜂窝系统的天线，尤其涉及用于蜂窝基站的天线。

背景技术

无线技术的发展，通常要求无线操作员在他们的网络中部署新的天线设备。不利的是，天线塔变成多种天线混杂，同时安装和维护变得更复杂。基站天线通常覆盖单个窄的频带。这样做已经导致过多的天线被安装在站点上。由于如此多天线的视觉污染，地方政府已经施加限制，从而使新的站点难以获得批准。某些天线设计已经尝试组合两个频带和扩展带宽，但由于许多空中接口标准和频带的激增，依然要求许多天线。

发明内容

下面的定义作为一般定义被提供，且决不把本发明的范围限制于单单那些术语，而是为更好地理解下面说明书被列出。

除非另行定义，本文使用的所有技术和科学术语，有与本发明所属领域的一般技术人员所共同理解的相同的意义。为了本发明的目的，下面的术语被定义如下：

冠词“一个”和“某个”，本文用于指一个或多于一个（即，至少一个）该冠词的语法对象。作为例子，“一个元件”指一个元件或多于一个元件。

除非行文另有要求，否则，贯穿本说明书的用语“包括”，应被理解为意味着被陈述的步骤或元件，或者步骤或元件的组的包含关系，而不是任何其他步骤或元件，或者步骤或元件的组的排他关系。

按照本发明的一方面，是提供超宽带双频带双极化蜂窝基站天线的低频带辐射器。如在下文的定义，该双频带包括低频带和高频带。该低频带辐射器包括：偶极子，包括两个偶极子臂，每个偶极子臂在大约四分之一波长（λ/4）上谐振，适用于连接到天线馈送器；有反谐振（anti-resonant）偶极子臂的扩展偶极子，每一偶极子臂为大约半波长（λ/2），该偶极子和扩展偶极子按交叉布置被配置；被连接到扩展偶极子的电容性耦联馈送器，用于把扩展偶极子耦联到天线馈送器；以及一对辅助辐射元件，平行地被配置在扩展偶极子的相对两端，其中该偶极子和该对辅助辐射元件一起产生需要的较窄的射束宽度。

该低频带辐射器可以包括用于偶极子和扩展偶极子的中心馈送器，该中心馈送器包括两块交叉的印刷电路板，一块印刷电路板在有四分之一波长（λ/4）偶极子臂的偶极子与天线馈送器之间实现连接，另一块印刷电路板有在其上实现的、在扩展偶极子与天线馈送器之间的电容性耦联馈送器。

例如，该偶极子臂可以用不同长度的金属圆柱体实施，或者用有形成偶极子臂的金属化敷层的印刷电路板实施。

该辅助辐射元件可以包括调谐寄生元件（tuned parasitic element）。这种调谐寄生元件每一个可以是形成在具有在印刷电路板上形成的金属化敷层的印刷电路板上的偶极子，电感元件形成在所述偶极子臂之间。或者，该辅助辐射元件可以包括驱动偶极子元件（driven dipole element）。

该低频带辐射器可以适用于698-960MHz的频率范围。

该低频带辐射器可以在具有大于30%的工作带宽且水平射束宽度在55°到75°范围的双频带天线中，被用作部件。再进一步，两个正交极化的水平射束宽度可以在55度到75度的范围中。甚至再进一步，两个正交极化的水平射束宽度可以在60度到70度的范围中。优选地，两个正交极化的水平射束宽度是大约65度。

该电容性耦联馈送器可以包括串联电感器和电容器。

按照本发明的再一方面，是提供一种超宽带蜂窝双极化双频带基站天线。该双频带有适合蜂窝通信的低频带和高频带。该双频带天线包括：如在前文列举的许多低频带辐射器，每一个低频带辐射器适用于双极化，并在双频带天线的地平面（groundplane）上提供干净区（clear area），用于把高频带辐射器定位在双频带天线中；以及许多高频带辐射器，每一个高频带辐射器适用于双极化，该高频带辐射器按至少一个阵列被配置，该低频带辐射器按预定间隔，被散置在高频带辐射器之中。每一高频带辐射器可以适用于提供大约65度的射束宽度。

该高频带辐射器可以适用于1710到2690MHz的频率范围。

附图说明

超宽带双频带蜂窝基站天线的布置，在下文仅作为例子，参照附图描述，附图中：

图1是按照本发明实施例的超宽带双频带蜂窝基站天线的低频带辐射器一部分的侧视图，该天线包括：有反谐振偶极子臂的扩展偶极子；

图2是图1所示的超宽带双频带蜂窝基站天线的低频带辐射器的等角投影图；

图3是图1的超宽带双频带蜂窝基站天线的整个低频带辐射器的顶视平面图；

图4是按照本发明另一个实施例的超宽带双频带蜂窝基站天线一部分或一段的简化顶视平面图，该天线包括高频带辐射器和低频带辐射器，其中低频带辐射器属于图1到3所示类型，而高频带辐射器按一个或更多阵列被配置；

图5是图4的超宽带双频带蜂窝基站天线一部分或一段的详细透视图，该天线包括高频带和低频带天线元件；

图6是图5的低频带辐射器的方位辐射图形的极坐标图；和

图7是用于图1到5的（水平）扩展偶极子的匹配电路的示意图。

具体实施方式

超宽带双频带蜂窝基站天线和用于这种天线的低频带辐射器，在下文被公开。在下面的描述中，许多特定的细节，包括具体的水平射束宽度、空中接口标准、偶极子臂形状和材料诸如此类被列举。然而，从该公开中，本领域熟练技术人员应当明白，修改和/或替换可以被做出，而不偏离本发明的范围和精神。在其他情况下，特定细节可以被省去，不至于妨碍本发明。

如在下文所使用，“低频带”是指较低的频率频带，诸如698-960MHz，而“高频带”是指较高的频率频带，诸如1710-2690MHz。“低频带辐射器”是指用于这种较低的频率频带的辐射器，而“高频带辐射器”是指用于这种较高的频率频带的辐射器。“双频带”在整个公开中，包括所指的低频带和高频带。

本发明的实施例涉及超宽带双频带天线，以及用于适用于支持正在出现的网络技术的这种天线的低频带辐射器。本发明的实施例使蜂窝系统操作员（“无线操作员”）能使用单一类型天线，覆盖大量频带，早先那里是要求多根天线的。本发明的实施例，能在几乎所有指配的蜂窝频率频带中，支持数种主要空中接口标准。本发明的实施例允许无线操作员在他们的网络中缩减天线的数量、降低天线塔租借费用，同时增加应对市场能力的速度（increasing speed to market capability）。

本发明的实施例，借助在一根天线中，支持多个频率频带和技术标准，帮助解决上文所述本领域多根天线混杂的天线塔，以及与多根天线复杂安装及维护相关联的困难问题。

部署按照本发明的实施例的超宽带双频带蜂窝基站天线，能够在操作员下一次技术延伸时，节省他们的时间和经费。这样的天线提供为将来准备的解决方案，以便使用多个频率频带的有多个空中接口技术的高性能无线网络的投入使用。部署这种灵活的、可缩放的且独立地优化的天线技术，使网络简化，同时向操作员提供显著的为将来准备的能力。这样的天线被优化用于在电容敏感数据驱动系统（capacity-sensitive data-drivensystem）中的高性能。本发明的实施例利用两个正交极化并支持用于先进的电容解决方案（capacity solution）的多输入及多输出（MIMO）实施方案。本发明的实施例，支持目前的多个频带并在将来作为新的标准和频带出现，保护无线操作员避免无线技术演进中某些固有的不确定性。

在下面的描述中，说到天线的“超宽带”，意思就是，该天线能在标称频率的至少30%的带宽上工作并保持它的需要的特征。尤其关注的特征，是射束宽度和形状以及回波损耗，该回波损耗必须被保持在横跨该频带至少15dB的程度。在本例中，该超宽带双频带天线，覆盖频带698MHz-960MHz和1710MHz-2690MHz。这覆盖了几乎是分配给所有主要蜂窝系统的全部带宽。

本发明下面的实施例，支持多个频率频带和技术标准。例如，无线操作员能够对2.6GHz和700MHz中的无线通信，部署使用单根天线长期演进（LTE）网络，同时支持2.1GHz中的宽带码分多址（W-CDMA）网络。为了易于描述，该天线阵列被考虑成竖直对准的。

按照本发明实施例的天线，提供双频带解决方案，它例如能够添加五个较低频率频带，使该天线能对所有四个空中接口标准：全球移动通信系统（GSM）、码分多址（CDMA）、W-CDMA和LTE，支持横跨无线频谱的九个频率频带。其他相关接口包含WiMax和GPRS。在一个实施方案中，该天线例如可以是10端口，2.5米的装置。

图1到3画出按照本发明实施例的超宽带双频带蜂窝基站天线的低频带辐射器100。这种低频带辐射器100，包括传统偶极子140，以及按交叉偶极子布置被配置的有交叉中心馈送器130的扩展偶极子120。偶极子140包括在约四分之一波长（λ/4）处谐振的两个偶极子臂140A和140B，偶极子140可以由中心馈送器130直接被连接到天线馈送器（未画出）。中心馈送器130包括两个互锁的交叉印刷电路板（PCB），上有用于偶极子120、140的形成在相应的PCB上的馈送器。一块印刷电路板在偶极子140和天线馈送器之间实现连接，而另一块印刷电路板有在其上实现的、在扩展偶极子120与天线馈送器之间的电容耦联馈送器。该天线馈送器可以是平衡转换器（balun），这是本领域熟练技术人员熟知的一种配置。传统偶极子140和天线馈送器之间的连接可以是偶极子的标准配置。

扩展偶极子120是被拉长的偶极子，有反谐振偶极子臂120A和120B，每个反谐振偶极子臂有大约半波长（λ/2）的长度。如图3所示，偶极子140和扩展偶极子120按交叉布置被配置。扩展偶极子120的反谐振偶极子臂120A和120B，由交叉中心馈送器130电容性耦联到天线馈送器（未画出）。该电容性耦联（串联电感器和电容器），能够在中心馈送器130的PCB的隆起的臂上被实施，该中心馈送器130被插入扩展偶极子120中。偶极子140由被插入管（偶极子臂140A、140B）中的PCB上的迹线耦联。该迹线通过电感性迹线被馈送到天线馈送器（平衡转换器）。图1和2只示出扩展偶极子120和用于该偶极子120的中心馈送器130的PCB；传统偶极子140在这些图中被省去，以便使图简化。偶极子120、140的偶极子臂，可以用中空的金属圆柱体实施，PCB的隆起的臂在那里被插入该金属圆柱体的相应端。对于扩展偶极子120，电容性耦联馈送器，是在插入偶极子臂120A、120B的PCB的隆起的臂上被实施的，以便提供电容性耦联。虽然偶极子被画成是由中空金属管制成，但其他偶极子也可以被实施，例如包含，在印刷电路板上的金属化部分或简单的金属化敷层。串联电感和电容的目的，在于与反谐振偶极子臂120A、120B的阻抗特征组合，以便形成有需要带宽的带通滤波器。

如图1和2所示，中心馈送器130把扩展偶极子120悬挂在金属地平面110上方，优选地在该地平面110上方四分之一波长处。中心馈送器130可以从偶极子120、140被定位的一侧的相对侧，被连接到天线馈送器（未画出）。诸如调谐寄生元件或偶极子，或驱动偶极子的一对辅助辐射元件150A和150B被与传统偶极子140平行地被定位在扩展偶极子120的相对两端。该调谐寄生元件的每一个，可以是在PCB上形成的偶极子，该PCB具有在该PCB上形成的金属化敷层（metalisation），电感元件形成在该PCB上的该偶极子的臂之间。电感元件可以被形成在寄生偶极子150A、150B的金属臂之间，用于调整偶极子臂中电流的相位，以使这些电流与驱动偶极子140中的电流成最佳关系。另外，该辅助辐射元件可以包括驱动偶极子元件。偶极子140与该对辅助辐射元件150一起产生需要的较窄的射束宽度。

图7是示意图，详细示出在PCB130上实施的向偶极子臂120A和120B电容性馈电的串联电容器和电感器122A、122B。该电容器是偶极子管内的短迹线。该电感器是连接到平衡转换器的薄迹线。

偶极子140是竖直偶极子，具有为大约四分之一波长（λ/4）的偶极子臂140A、140B，而扩展偶极子120是水平偶极子，具有每个为大约半波长（λ/2）的偶极子臂120A、120B。辅助辐射元件150A和150B与偶极子140一起，修改或变窄沿竖直极化的水平射束宽度。

图1到3画出的天线结构，提供超宽带双频带蜂窝基站天线的低频带辐射器100，该辐射器有沿竖直和水平方向取向的交叉偶极子120、140，被定位在金属地平面110上方约四分之一波长的高度上。该天线结构提供在关注的频带上的水平极化、需要的或预定的水平射束宽度、以及宽带匹配。该对横向地位移的辅助辐射元件（如，寄生偶极子）150A、150B，与竖直取向的驱动偶极子140一起，提供沿竖直极化的类似的水平射束宽度。该低频带辐射器可以在具有大于30%的工作带宽且水平射束宽度在55°到75°范围的双频带天线中，被用作部件。再进一步，两个正交极化的水平射束宽度，可以是在55度到75度的范围中。可取的是，两个正交极化的水平射束宽度，可以是在60度到70度的范围中。最可取的是，两个正交极化的水平射束宽度都大约为65度。

偶极子120有长度大约λ/2的反谐振偶极子臂120A、120B，这些偶极子臂有18dB阻抗、带宽>32%的电容性耦联馈送器，该偶极子120还提供大约65度的射束宽度。这是在双极性宽带天线中的双极化元件的一个部件。有两个平行辅助辐射元件150A、150B的单个半波偶极子140，向被扩展偶极子120辐射的信号提供正交极化。超宽带双频带蜂窝基站天线的低频带辐射器100，很好地适合于在698-960MHz蜂窝频带中使用。在下面的描述中，图3（以及图1和2）所示类型的超宽带双频带蜂窝基站天线100，将被称为低频带辐射器。这种配置的特别优点，在于该低频带辐射器100留下地平面的无阻碍区或干净区，在那里，超宽带双频带蜂窝基站天线的高频带辐射器，能够按与低频带辐射器的最小相互作用而被定位。

该天线的低频带辐射器，如所描述，辐射竖直的和水平的极化。对于蜂窝基站天线，双斜极化（对竖直倾斜+45°和-45°的线性极化）按惯例被使用。这能够借助本领域熟练技术人员周知的，从宽带180°混合（即，等分耦合器（equal-split coupler））向低频带辐射器的竖直和水平偶极子馈电被实现。

这种低频带辐射器配置的特别优点，在于地平面的无阻碍区被留下，该区允许以低频带辐射器和高频带辐射器之间有最小相互作用，来放置高频带辐射器。

图4画出超宽带双频带双极化蜂窝基站天线的一部分或一段，该天线包括四个高频带辐射器410、420、430、440，被布置成2×2矩阵，具有图1-3所示类型的低频带辐射器100。单个低频带辐射器100被散置在与这四个高频带辐射器410、420、430、440的预定间隔上。图1到3所示低频带辐射器100的特征，在图4和5中用相同参考数字被示出。只为简明缘故，图4和5中特征的描述，在此不再重复，那些特征与图1-3中示出的那些特征相同。交叉偶极子120和140定义四个象限，其中高频带辐射器420和410被定位在左下和右下象限，而高频带辐射器440和430被定位在左上和右上象限。低频带辐射器100适合于双极化，并在该双频带天线400的地平面110上提供干净区，用于把高频带辐射器410、420、430、440定位在该双频带天线400中。省略符号点指示，基站天线可以通过重复图4所示部分400被形成。中心线左方的宽带高频带辐射器440、420，包括一个高频带阵列，而由偶极子臂140A和140B定义的中心线右方的那些高频带辐射器430、410，包括第二高频带阵列。该两个阵列一起，能够被用于在高频带中提供MIMO能力。每一高频带辐射器410、420、430、440，可以被适合于提供大约65度的射束宽度。

图5更详细画出图4所示天线的部分或段400。尤其是，四个高频带辐射器410、420、430、440的实施方案被详细示出。每个高频带辐射器410、420、430、440包括一对交叉偶极子450、452、454、456，各被定位在正方形金属封壳中。在这种情形下，交叉偶极子450、452、454、456被倾斜45°，以便辐射斜的极化。高频带辐射器410，包括一对交叉偶极子450，各被布置在正方形小室中，该小室借助另一个金属壁把矩形金属壁封壳412分开成两个小室而被形成。这些偶极子作为蝴蝶结偶极子或其他宽带偶极子被实施。虽然偶极子的具体配置被示出，但例如，使用管或圆柱体，或作为印刷电路板上的金属化迹线，其他偶极子也可以被实施。同样，高频带辐射器420，包括一对交叉偶极子452，各被布置在正方形小室中，该小室借助另一个金属壁把矩形金属壁封壳422分开成两个小室而被形成。再进一步，高频带辐射器430，包括一对交叉偶极子454，各被布置在正方形小室中，该小室借助另一个金属壁把矩形金属壁封壳432分开成两个小室而被形成。最后，高频带辐射器440包括一对交叉偶极子456，各被布置在正方形小室中，该小室借助另一个金属壁把矩形金属壁封壳442分开成两个小室而被形成。金属壁封壳412、422、432、442修改高频带辐射器410、420、430、440的对应偶极子450、452、454、456的射束宽度。

在低频带辐射器（有辅助辐射元件的交叉偶极子）100能够被用于698-960MHz频带的同时，高频带辐射器410、420、430、440能够被用于1.7GHz到2.7GHz（1710-2690MHz）频带。低频带辐射器100提供有双极化（水平和竖直极化）的65度射束宽度。这种双极化是基站天线要求的。传统偶极子140被连接到天线馈送器，同时，扩展偶极子120由串联电感器和电容器耦联到天线馈送器。低频带辅助辐射元件（如，寄生偶极子）150和竖直偶极子140使竖直偶极子140与辅助辐射元件150一起的水平射束宽度，与水平偶极子120的射束宽度相同。天线400在单根天线中实现多频带天线。

大约65度的射束宽度是优选的，但可以在单个度数（如，60、61、或62度）基础上的60度到70度的范围中。图6画出低频带辐射器100的方位图形。

该超宽带、双频带蜂窝基站天线，能够在受限的物理空间中被实施。

因此，本文描述和/或在图中示出的超宽带双频带蜂窝基站天线，以及用于该天线的低频带辐射器，仅作为例子给出，不是对发明范围的限制。除非另外特别声明，该天线的各个方面和部件可以被修改，或者因此可以被已知的等效物替代，或者被尚未知晓的替代品，诸如可以在将来研发的，或者诸如可以被发现在将来是可接受的替代品替代。

Claims (16)

1.一种超宽带双频带双极化蜂窝基站天线的低频带辐射器，所述双频带包括低频带和高频带，所述低频带辐射器包括：

偶极子，包括两个偶极子臂，每一偶极子臂在大约四分之一波长上谐振，适用于连接到天线馈送器；

有两个反谐振偶极子臂的扩展偶极子，每一反谐振偶极子臂为大约半波长，所述偶极子和扩展偶极子按交叉布置被配置；

电容性耦联馈送器，被连接到所述扩展偶极子，用于把所述扩展偶极子耦联到所述天线馈送器；和

一对辅助辐射元件，平行地被配置在所述扩展偶极子的相对两端，其中所述偶极子和所述一对辅助辐射元件一起产生需要的较窄的射束宽度。

2.按照权利要求1所述的低频带辐射器，包括用于所述偶极子和扩展偶极子的中心馈送器，该中心馈送器包括两块交叉的印刷电路板，一块印刷电路板在有四分之一波长偶极子臂的所述偶极子与所述天线馈送器之间实现连接，而另一块印刷电路板有在其上实现的、在所述扩展偶极子与所述天线馈送器之间的所述电容性耦联馈送器。

3.按照权利要求1所述的低频带辐射器，其中所述偶极子臂是用多根金属圆柱体实施的。

4.按照权利要求1所述的低频带辐射器，其中所述偶极子臂是使用有形成偶极子臂的金属化敷层的印刷电路板实施的。

5.按照权利要求1所述的低频带辐射器，其中所述一对辅助辐射元件包括调谐寄生元件。

6.按照权利要求5所述的低频带辐射器，其中所述调谐寄生元件每一个都是在印刷电路板上形成的偶极子，所述印刷电路板具有在所述印刷电路板上形成的金属化敷层，电感元件形成在所形成的偶极子的臂之间。

7.按照权利要求1所述的低频带辐射器，其中所述一对辅助辐射元件包括驱动偶极子元件。

8.按照权利要求1所述的低频带辐射器，其中所述低频带辐射器适用于698-960MHz的频率范围。

9.按照权利要求1所述的低频带辐射器，其中双极化是两个正交极化，并且其中所述低频带辐射器在有大于30％的工作带宽且水平射束宽度在55度到75度范围的双频带天线中被用作部件。

10.按照权利要求9所述的低频带辐射器，其中两个正交极化的水平射束宽度是在55度到75度的范围中。

11.按照权利要求9所述的低频带辐射器，其中两个正交极化的水平射束宽度是在60度到70度的范围中。

12.按照权利要求9所述的低频带辐射器，其中两个正交极化的水平射束宽度是大约65度。

13.按照权利要求1所述的低频带辐射器，其中所述电容性耦联馈送器包括串联电感器和电容器。

14.一种超宽带蜂窝双极化双频带基站天线，所述双频带有适合于蜂窝通信的低频带和高频带，所述双频带基站天线包括：

按照权利要求1所述的多个低频带辐射器，每一个低频带辐射器适用于双极化，并在所述双频带基站天线的地平面上提供干净区，用于把高频带辐射器定位在所述双频带基站天线中；和

多个高频带辐射器，每一个高频带辐射器适用于双极化，所述高频带辐射器按至少一个阵列被配置，所述低频带辐射器按预定间隔被散置在所述高频带辐射器之中。

15.按照权利要求14所述的超宽带蜂窝双极化双频带基站天线，其中每一个高频带辐射器适用于提供大约65度的射束宽度。

16.按照权利要求14所述的超宽带蜂窝双极化双频带基站天线，其中所述高频带辐射器适用于1710MHz到2690MHz的频率范围。